Самое привычное и самое невероятное вещество на Земле - вода. Значение воды невозможно переоценить в жизни всего живого на планете, она присутствует в каждом мгновении нашего существования. Являясь преобладающим элементом в составе любого организма, вода руководит и его жизнедеятельностью.

Вода в природе

Человечество на протяжении всего существования пытается разгадать тайну этой удивительной и противоречивой стихии. Как она возникла, как попала на нашу планету? Наверное, никто так и не сможет ответить на этот вопрос, зато каждый знает, что значение воды в природе и жизни человека невообразимо велико. Одно абсолютно верно - сегодня запасов воды на Земле столько же, сколько было при рождении мироздания.

Уникальные свойства воды сжиматься при нагреве и расширяться при замерзании - еще один повод удивиться. Ни одно другое вещество не обладает подобными свойствами. А ее способность переходить из одного состояния в другое, столь привычная и вместе с тем, удивительная, играющая исключительную роль, дает возможность всем живым организмам существовать на Земле. Высшим Разумом воде отведена основная партия в поддержании жизни и участии в постоянно происходящих природных процессах.

Круговорот воды

Этот процесс называется гидрологическим циклом, представляющим собой непрерывную циркуляцию воды, попадающей из гидросферы и поверхности земли в атмосферу, а потом обратно. В цикле участвуют четыре процесса:

• испарение;
• конденсация;
• выпадение осадков;
• сток вод.

Попав на землю, часть осадков, испаряясь, конденсируется, другая часть благодаря стоку наполняет водоемы, третья обращается в уходя под землю. Так, постоянно передвигаясь, питая водные артерии, растения и животных и сохраняя собственные запасы, кочует, оберегая Землю, вода. Значение воды очевидно и бесспорно.

Механизм круговорота и его виды

В природе существует большой круговорот (так называемый мировой), а также два малых - континентальный и океанический. Собирающиеся над океанами осадки переносятся ветрами и выпадают на континенты, а затем опять возвращаются в океан со стоком. Процесс, когда океаническая вода непрерывно испаряется, конденсируясь и снова выпадая в океан в называют малым океаническим круговоротом. А все аналогичные процессы, происходящие над сушей, объединяются в малый континентальный круговорот, главным действующим лицом в котором является вода. Ее значение в природных процессах непрерывной циркуляции, поддерживающей водный баланс Земли и обеспечивающей существование живых организмов, бесспорно.

Вода и человек

Не имеющая питательной ценности в обычном понятии, вода - основная составляющая любого живого организма, в том числе и человека. Никто не сможет существовать без воды. Две трети в составе любого организма занимает вода. Значение воды исключительно важно для правильного функционирования всех систем и органов.

На протяжении жизни человек ежедневно соприкасается с водой, используя ее для питья и пищи, гигиенических процедур, отдыха и отопления. На Земле не найдется
более ценного природного материала, столь жизненно необходимого и незаменимого, как вода. Обходясь без еды достаточно большие периоды времени, человек не проживет без воды и 8 дней, так как при в пределах 8% от массы тела у человека начинаются обмороки, 10% вызывают галлюцинации, а 20% неизбежно вызывают летальный исход.

Почему же так велико значение воды для человека? Оказывается, вода регулирует все основные жизненные процессы:

• нормализует влажность кислорода, увеличивая его всасываемость;
• осуществляет терморегуляцию тела;
• растворяет питательные вещества, помогая организму в их усвоении;
• увлажняет и создает защиту жизненно важным органам;
• образует защитную смазку для суставов;
• улучшает обменные процессы в деятельности систем организма;
• способствует эвакуации отходов из организма.

Как поддерживать водный баланс

В среднем человек теряет в день 2-3 литра воды. В более экстремальных условиях, например, в жару, при высокой влажности и физических нагрузках потери воды возрастают. Чтобы сохранить нормальный физиологический водный баланс организма, следует уравновесить поступление воды с ее выведением путем грамотного

Произведем некоторые подсчеты. Учитывая, что суточная потребность человека в воде - 30-40 граммов на 1 кг веса тела и около 40% общей потребности поступает с пищей, остальное количество следует принимать в виде напитков. Летом ежедневное потребление воды соответствует 2-2,5 литра. Жаркие регионы планеты диктуют свои требования - 3,5-5,0 литра, а в экстремально жарких условиях до 6,0-6,5 литра воды. Нельзя допускать обезвоживания организма. Тревожными симптомами этой беды являются сухая кожа, сопровождаемая зудом, усталость, резкое снижение концентрации внимания, артериального давления, головные боли и общее недомогание.

Полезный эффект

Интересно то, что, принимая непосредственное участие в обменных процессах, вода способствует снижению веса. Бытующее заблуждение, что желающим похудеть людям нужно меньше пить воды, так как организм удерживает воду, наносит ощутимый вред. Нельзя вгонять собственный организм в еще больший стресс, выбивая его из привычного водообмена. К тому же влага, являясь естественным мочегонным средством, тонизирует работу почек, провоцируя потерю веса.

Получая оптимальное количество воды, человек прибавляет сил, энергии и выносливости. Ему проще контролировать вес, поскольку даже психологические неудобства от вынужденных перемен при уменьшении привычного рациона переносятся легче. Научными исследованиями доказано, что ежедневное употребление достаточного количества чистой воды помогает бороться с тяжелыми недугами - способствует ослаблению болей в спине, проявлений мигрени, снижению уровня сахара и холестерина в крови и артериального давления. Кроме того, тонизируя работу почек, вода тормозит процессы образования камней. Доказано, что люди с творческим началом склонны много пить, а великих художников подталкивала к созданию шедевров Значение воды, выходит, немаловажно и в исскустве.

Водный обмен растений

Так же как и человеку, вода необходима любому растению. У разных растений она составляет от 70 до 95% массы, контролируя все происходящие процессы. Обмен веществ в растении возможен только при большом количестве влаги, поэтому значение воды для растений бесспорно велико. Растворяя в почве минеральные вещества, вода доставляет их в растение, обеспечивая их непрерывный приток. Без воды не прорастут семена, не будет происходить в зеленых листьях процесс фотосинтеза. Вода, наполняющая обеспечивает ему жизнеспособность и сохранение определенной формы.

Важнейшим условием жизнеобеспечения растительного организма является способность поглощать воду извне. Растение, получая воду, в основном из почвы с помощью корней, поставляет ее в наземные части растения, где листья ее испаряют. Такой водный обмен существует в каждой органической системе - вода, попадая в нее, отдает испаряется или выделяется, а затем снова, обогатившись полезными субстанциями, попадает в организм.

Еще один удивительный способ проникновения воды в живые клетки - ее осмотическое поглощение, т. е. способность воды аккумулироваться извне в клеточные растворы, увеличивая объем жидкости в клетке.

Искусство потребления воды

Постоянное употребление чистой воды заметно улучшает мыслительную деятельность мозга и координацию движения, а следовательно, значение воды для жизнедеятельности клеток мозга особенно ценно. Поэтому здоровый человек не должен ограничивать себя в питье, но соблюдать некоторые правила следует:

• пить понемногу, но часто;
• не стоит выпивать много воды сразу, так как переизбыток жидкости в крови доставит сердцу и почкам ненужную нагрузку.

Итак, значение воды для живых организмов огромно. Поэтому создание условий для сохранения собственного водного баланса необходимо каждому человеку.

Октябрь 02, 2012

Вода — не только самое распространенное, но и самое удивительное вещество в природе. Данное утверждение основывается на присущих ей физических химических и уникальных свойствах, обеспечивающих то исключительное положение, которое она занимает в биосфере.

Ученые в результате многочисленных научных экспериментов доказали, что именно воде принадлежит ведущая роль в эволюции геологических процессов и зарождении жизни на планете. Огромное количество воды в связанном состоянии присутствует в недрах Земли, в частности в некоторых минералах и горных породах. Основные ее запасы сосредоточены в мантии земной коры — около 15 млрд. км³.

Вода в свободном состоянии содержится в жидких средах нашего организма — крови, лимфе, пищеварительных соках и межклеточном пространстве. В тканях она присутствует в связанном виде, поэтому при повреждении или рассечении органа не выводится. Вода является основной средой организма человека, в которой осуществляется все виды обмена веществ и протекают ферментативные биохимические реакции.

Вода (окись водорода, H2O) — соединение водорода с кислородом, устойчивое в обычных условиях. Эта жидкость не обладает ни цветом, ни запахом, ни вкусом. Голубоватый цвет она имеет только в слоях большой толщины, например в океанах и морях. Молекулярная масса воды (18,016 а.е.м.) распределяется следующим образом: водород — 11,9%, кислород — 88,81%.

Свойства воды определяются особенностями ее строения. Молекула воды имеет 3 ядра, составляющие равнобедренный треугольник. В его основании находятся протоны водорода, а на вершине — атом кислорода.

Электроны в молекуле воды располагаются таким образом, что образуют по 2 парных полюса противоположных зарядов: атомы водорода создают 2 положительных полюса, а атомы кислорода — 2 отрицательных.

Высокая полярность молекулы воды позволяет атомам кислорода притягивать атомы водорода соседних молекул и образовывать по 4 водородные связи, что четко прослеживается в кристаллах льда. Структура последних имеет гексагональную решетку, в которой находится множество пустот. При плавлении льда соседние молекулы Н2О заполняют пустоты, что приводит к повышению плотности. Дальнейшее нагревание усиливает движение молекул. Происходит расширение пустот и уменьшение плотности.

Вода в природе существует в жидком, твердом (лед) и газообразном (пар) состоянии. При переходе из твердой формы в жидкую плотность молекулы воды вопреки ожидаемому эффекту возрастает, а не уменьшается. Максимума плотность воды достигает при 4℃, когда вес единицы объема воды превышает тот же показатель при 0℃. При дальнейшем нагревании плотность воды уменьшается. В случае снижения температуры вода медленно опускается на дно, а на ее поверхности образуется лед. Так как его плотность ниже, он поднимается вверх, но за его нижней чертой всегда находится вода.

Еще одно уникальное свойство воды — высокая теплоемкость. Она имеет наибольшую теплоемкость среди всех жидкостей. Этим объясняется медленное остывание воды в течение осени и длительное нагревание в весенний период. Данное свойство воды связано с другой ее функцией — регуляцией температуры на планете.

Ученые установили, что теплоемкость воды снижается при нагревании от 0 до 37℃, а далее этот параметр, напротив, возрастает. Следовательно, самая оптимальная температура, при которой вода быстро нагревается и охлаждается, составляет 37℃, что почти соответствует нормальной температуре тела человека. Объяснения данному факту пока нет, но связь с терморегуляцией человеческого организма очевидна. Предполагается, что в этом состоит защитная функция воды, которая направлена на устранения воздействия высокой температуры.

В зависимости от происхождения, молекулярного состава или особенностей применения выделяются основные и особые типы воды. К первым относятся подземные и сточные воды, талая, пресная, морская, минеральная, тяжелая, легкая, дистиллированная, дождевая вода и др. А особые типы воды окружены ореолом таинственности и обусловлены наличием каких-либо уникальных свойств. Речь идет о святой и структурированной, живой и мертвой воде.

Вода - прозрачная жидкость, не имеющая цвета (в малом объёме) и запаха. Вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. В твёрдом состоянии называется льдом или снегом, а в газообразном - водяным паром. Около 71% поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озера, реки, лёд на полюсах).

Свойства воды - это совокупность физических, химических, биохимических, органолептических, физико-химических и других свойств воды.
Вода - оксид водорода - одно из наиболее распространенных и важных веществ. Поверхность Земли, занятая водой, в 2,5 раза больше поверхности суши. Чистой воды в природе нет, - она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода.

Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см 3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы.

В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н20 содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей. Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н20-Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость . С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Вода - весьма реакционноспособное вещество. При обычных условиях она взаимодействует со многими основными и кислотными оксидами, а также со щелочными и щелочно-земельными металлами. Вода образует многочисленные соединения - кристаллогидраты.
Очевидно, соединения, связывающие воду, могут служить в качестве осушителей. Из других осушающих веществ можно указать Р205, СаО, ВаО, металлический Ма (они тоже химически взаимодействуют с водой), а также силикагель. К важным химическим свойствам воды относится ее способность вступать в реакции гидролитического разложения.

Химические свойства воды обусловлены ее составом. Вода на 88,81% состоит из кислорода, и только на 11,19% – из водорода. Как мы упоминали выше, вода замерзает при нуле градусов Цельсия, а вот закипает – при ста. Дистиллированная вода имеет очень низкую концентрацию положительно заряженных ионов гидроксония НО и Н3О+ (всего 0,1 мкмоль/л), поэтому ее можно назвать отличным изолятором. Однако свойства воды в природе не были бы реализованы правильно, если бы она не была хорошим растворителем. Молекула воды очень мала по размеру. Когда в воду попадает другое вещество, его положительные ионы притягиваются атомами кислорода, составляющими молекулу воды, а отрицательные – атомами водорода. Вода как бы окружает со всех сторон растворенные в ней химические элементы. Поэтому, в воде почти всегда содержатся различные вещества, в частности, соли металлов, обеспечивающие проведение электрического тока.

Физические свойства воды «подарили» нам такие явления, как парниковый эффект и микроволновая печь. Около 60% парникового эффекта создает водяной пар, который отлично поглощает инфракрасные лучи. При этом показатель оптического преломления воды n=1,33. Кроме того, вода поглощает и микроволны, благодаря высокому дипольному моменту ее молекул. Эти свойства воды в природе и натолкнули ученых на мысли об изобретении микроволновой печи.

Неизмеримо велика роль воды в природе и жизни человека. Можно сказать, что все живое состоит из воды и органических веществ. Она - активнейший участник формирования физической и химической среды, климата и погоды. При этом она влияет и на экономику, промышленность, сельское хозяйство, транспорт и энергетику.

Без пищи мы можем прожить несколько недель, а без воды - лишь 2-3 дня. Для обеспечения нормального существования человек должен вводить в организм воды примерно в 2 раза больше по весу, чем питательных веществ. Потеря организмом человека более 10% воды может привести к смерти. В среднем в организме растений и животных содержится более 50% воды, в теле медузы ее до 96%, в водорослях 95-99%, в спорах и семенах от 7 до 15%. В почве находится не менее 20% воды, в организме же человека вода составляет около 65%. Разные части человеческого организма содержат неодинаковое количество воды: стекловидное тело глаза состоит из воды на 99%, в крови ее содержится 83, в жировой ткани 29, в скелете 22 и даже в зубной эмали 0,2%. В течение всей своей жизни человек теряет воду из организма, и его биоэнергетический потенциал уменьшается. В шестинедельном человеческом эмбрионе содержание воды составляет до 97%, у новорождённого - 80%, у взрослого - 60-70%, а в организме пожилого человека - лишь 50-60%.

Вода абсолютна необходима для всех ключевых систем жизнеобеспечения человека. Вода и содержащиеся в ней вещества становятся средой питания и поставляют живым организмам необходимые для жизни микроэлементы. Она содержится в крови (79%) и способствует переносом по кровеносной системе в растворённом состоянии тысяч необходимых веществ и элементов (геохимический состав воды близок к составу крови животных и человека.).
В лимфе, которая осуществляет обмен веществ между кровью и тканями живого организма вода составляет 98%.
Вода сильнее других жидкостей проявляет свойства универсального растворителя. Через определённое время она может растворить почти любое твёрдое вещество.
Такая всеобъемлющая роль воды обусловлена её уникальными свойствами.

В последнее время усилия исследователей сосредоточены на форсированном изучении процессов, протекающих на границе раздела фаз. Оказалось, что вода в граничных слоях обладает многими интересными свойствами, которые не проявляются в объемной фазе. Эта информация крайне необходима для решения ряда важных практических задач. Примером может служить создание принципиально новой элементной базы микроэлектроники, где дальнейшая.миниатюризация схем будет основана на принципе самоорганизации макромолекул на водной поверхности. Развитая поверхность также характерна для биологических систем, что обусловлено важностью поверхностных явлений для их функционирования. Практически всегда существенное влияние на характер процессов, происходящих в приповерхностной области, оказывает присутствие воды. В свою очередь под влиянием поверхности кардинально изменяются свойства самой воды, и воду у границы необходимо рассматривать как принципиально новый физический объект исследования. Весьма вероятно, что изучение молекулярно-статистических свойств воды вблизи поверхности, которое, по существу, только начинается, даст возможность эффективно управлять многими физическими и химическими процессами.

В последнее время возрос интерес к исследованиям свойств воды на микроскопическом уровне. Так, для понимания многих вопросов физики поверхностных явлений необходимо знать свойства воды на границе раздела фаз. Отсутствие строгих представлений о структуре воды, об организации воды на молекулярном уровне приводит к тому, что при изучении свойств водных растворов как в объемной фазе, так и в капиллярных системах вода часто рассматривается как бесструктурная среда. Однако известно, что свойства воды в граничных слоях могут заметно отличаться от объемных. Поэтому, рассматривая воду как бесструктурную жидкость, мы теряем уникальную информацию о свойствах граничных слоев, которые, как оказывается, во многом определяют природу процессов, протекающих в тонких порах. Например, ионная селективность ацетатцеллюлозных мембран объясняется особой молекулярной организацией воды в порах, которая, в частности, нашла свое отражение в концепции «нерастворяющего объема». Дальнейшее развитие теории, учитывающей специфику межмолекулярных взаимодействий, лежащих в основе селективного мембранного транспорта, будет способствовать более полному пониманию мембранного опреснения растворов. Это позволит дать обоснованные рекомендации для улучшения эффективности технологических процессов опреснения воды. Отсюда вытекают важность и необходимость исследований свойств жидкости в пограничных слоях, в частности вблизи поверхности твердого тела.

Четыре элемента природы, четыре стихии родили на Земле жизнь — это огонь, воздух, земля и вода. Причем вода появилась на нашей планете на несколько миллионов лет, чем та же почва или воздух.

Казалось бы, вода уже изучена человеком, но ученые до сих пор находят самые удивительные факты об этом природном элементе.

Вода стоит особняком в истории нашей планеты.
Нет природного тела, которое могло бы
сравниться с ней по влиянию на ход основных,
самых грандиозных, геологических процессов.
В.И. Вернадский

Вода — это самое распространенное неорганическое соединение на земле. И первое исключительное свойство воды в том, что она состоит из соединений атомов водорода и кислорода. Казалось бы, такое соединение, согласно химическим законам, должно быть газообразным. А вода — жидкая!

Так, например, всем известно, что вода существует в природе в трех состояниях: твердом, жидком и в виде пара. Но уже сейчас выделяют более 20 состояний воды, из которых только 14 — это вода в замерзшем состоянии.

Удивительно, но вода — единственное вещество на Земле, плотность которого в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Именно поэтому лед не тонет, а водоемы не промерзают до самого дна. Разве что при экстремально холодных температурах.

Еще один факт: вода — универсальный растворитель. По количеству и качеству растворенных в воде элементов и минералов ученые выделяют приблизительно 1330 видов воды: минеральная и талая, дождевая и роса, ледниковая и артезианская…

Вода в природе

В природе вода играет важнейшую роль. При этом она оказывается задействованной в самых разных механизмах и жизненных циклах на земле. Вот лишь несколько фактов, которые наглядно демонстрируют ее значимость для нашей планеты:

• Значение круговорота воды в природе просто огромно. Именно этот процесс позволяет животным и растениям получать столь необходимую для их жизни и существования влагу.
• Моря и океаны, реки и озера — все водоемы играют важнейшую роль в создании климата той или иной местности. А высокая теплоемкость воды обеспечивает комфортный температурный режим на нашей планете.
• Вода играет одну из ключевых ролей в процессе фотосинтеза. Не будь воды, растения не могли бы перерабатывать углекислый газ в кислород, а значит — воздух был бы непригоден для дыхания.

Вода в жизни человека

Главный потребитель воды на Земле — это человек. Не случайно все мировые цивилизации формировались и развивались исключительно вблизи водоемов. Значение же воды в жизни человека просто огромное.

• Тело человека тоже состоит из воды. В теле новорожденного — до 75% воды, в теле пожилого человека — более 50%. При этом известно, что без воды человек не выживет. Так, когда у нас исчезает хотя бы 2% воды из организма, начинается мучительная жажда. При потере более 12% воды человеку уже не восстановится без помощи врачей. А потеряв 20% воды из организма, человек умирает.
• Вода является для человека исключительно важным источником питания. По статистике человек за месяц в норме потребляет 60 литров воды (2 литра в день).
• Именно вода доставляет к каждой клеточке нашего организма кислород и питательные вещества.
• Благодаря наличию воды наш организм может регулировать температуру тела.
• Вода также позволяет перерабатывать пищу в энергию, помогает клеткам усваивать питательные вещества. А еще вода выводит шлаки и отходы из нашего тела.
• Человек повсеместно использует воду для своих нужд: для питания, в сельском хозяйстве, для различного производства, для выработки электроэнергии. Неудивительно, что борьба за водные ресурсы идет нешуточная. Вот всего лишь несколько фактов:

Более 70% нашей планеты покрыто водой. Но при этом всего 3% всей воды можно отнести к питьевой. И доступ к этому ресурсу с каждым годом становится все труднее. Так, по данным РИА-новости за последние 50 лет на нашей планете произошло более 500 конфликтов, связанных с борьбой за водные ресурсы. Из них более 20 конфликтов переросли в вооруженные столкновения. Это всего лишь одна из цифр, ярко демонстрирующих то, насколько важна роль воды в жизни человека.

Загрязнение воды

Загрязнением воды называют процесс насыщения водоемов вредными веществами, отходами производства и бытовыми отходами, в результате которого вода теряет большую часть своих функций и становится непригодной для дальнейшего потребления.

Основные источники загрязнения:

1. Нефтеперерабатывающие предприятия
2. Тяжелые металлы
3. Радиоактивные элементы
4. Ядохимикаты
5. Стоки городских канализаций и животноводческих ферм.

Ученые давно бьют тревогу, что мировой океан ежегодно получает свыше 13 млн. тонн отходов нефтепродуктов. При этом Тихий океан получает до 9 млн.тонн, а Атлантика — более 30 млн.тонн.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения на нашей планете уже не осталось источников, в которых присутствовала бы чистая природная вода. Есть лишь водоемы, загрязненные менее остальных. И это грозит катастрофой нашей цивилизации, так как без воды человечество просто не выживет. А заменить ее нечем.

Вода – одно из самых удивительных соединений на Земле – давно уже поражает исследователей необычностью многих своих физических свойств:

1) Неисчерпаемость как вещества и природного ресурса; если все другие ресурсы земли уничтожаемы или рассеиваемы, то вода как бы ускользает от этого, принимая различные формы или состояния: кроме жидкой – твердую и газообразную. Это единственное вещество и ресурс такого типа. Это свойство обеспечивает вездесущность воды, она пронизывает всю географическую оболочку Земли и производит в ней разнообразную работу.

2) Присущее только ей расширение при затвердевании (замерзании) и уменьшение объема при плавлении (переходе в жидкое состояние).

3) Максимальная плотность при температуре +4 °С и связанные с этим весьма важные свойства для природных и биологических процессов, например исключение глубокого промерзания водоемов. Как правило, максимальная плотность физических тел наблюдается при температуре затвердевания. Максимальная плотность дистиллированной воды наблюдается в аномальных условиях – при температуре 3,98-4 °С (или округленно +4 °С), т. е. при температуре выше точки затвердевания (замерзания). При отклонении температуры воды от 4 °С в обе стороны плотность воды убывает.

4) При плавлении (таянии) лед плавает на поверхности воды (в отличие от других жидкостей).

5) Аномальное изменение плотности воды влечет за собой такое же аномальное изменение объема воды при нагревании: с возрастанием температуры от 0 до 4 °С объем нагреваемой воды уменьшается и только при дальнейшем возрастании начинает увеличиваться. Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность и объем воды изменялись так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались бы до 0 °С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0 °С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно, и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

6) Переход воды из одного состояния в другое сопровождается затратами (испарение, таяние) или выделением (конденсация, замерзание) соответствующего количества тепла. На таяние 1 г льда необходимо затратить 677 кал, на испарение 1 г воды – на 80 кал меньше. Высокая скрытая теплота плавления льда обеспечивает медленное таяние снега и льда.

7) Способность относительно легко переходить в газообразное состояние (испаряться) не только при положительных, но и при отрицательных температурах. В последнем случае испарение происходит минуя жидкую фазу – из твердой (льда, снега) сразу в парообразную. Такое явление носит название – сублимация.

8) Если сравнить температуру кипения и замерзания гидридов, образованных элементами шестой группы таблицы Менделеева (селена H 2 Se, теллура Н 2 Те) и воды (Н 2 О), то по аналогии с ними температура кипения воды должна быть порядка 60 °С, а температура замерзания – ниже 100° С. Но и здесь проявляются аномальные свойства воды – при нормальном давлении в 1 атм. вода кипит при +100 °С, а замерзает при 0 °С.

9) Громадное значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью, в 3000 раз большей, чем воздух. Это значит, что при охлаждении 1 м 3 воды на 1 0 С на столько же нагревается 3000 м 3 воздуха. Поэтому, аккумулируя тепло, Океан оказывает смягчающее влияние на климат прибрежных территорий.

10) Вода поглощает тепло при испарении и таянии, выделяя его при конденсации из пара и замерзании.

11) Способность воды в дисперсных средах, например в мелкопористых почвах или биологических структурах, переходить в связанное или рассредоточенное состояние. В этих случаях очень сильно меняются свойства воды (ее подвижность, плотность, температура замерзания, поверхностное натяжение и другие параметры), крайне важные для протекания процессов в природных и биологических системах.

12) Вода – универсальный растворитель, поэтому не только в природе, но и в лабораторных условиях идеально чистой воды нет уже по той причине, что она способна к растворению любого сосуда, в который заключена. Есть предположение, что поверхностное натяжение идеально чистой воды было бы таковым, что по ней можно было бы кататься на коньках. Способность воды к растворению обеспечивает перенос веществ в географической оболочке, лежит в основе обмена веществами между организмами и средой, в основе питания.

13) Из всех жидкостей (кроме ртути) у воды самое высокое поверхностное давление и поверхностное натяжение: = 75·10 -7 Дж/см 2 (глицерин – 65, аммиак – 42, а все остальные – ниже 30 ·10 -7 Дж/см 2). В силу этого капля воды стремится принять форму шара, а при соприкосновении с твердыми телами смачивает поверхность большинства из них. Именно поэтому она может подниматься вверх по капиллярам горных пород и растений, обеспечивая почвообразование и питание растений.

14) Вода обладает высокой термической устойчивостью. Водяной пар начинает разлагаться на водород и кислород только при температуре выше 1000 °С.

15) Химически чистая вода является очень плохим проводником электричества. Вследствие малой сжимаемости в воде хорошо распространяются звуковые и ультразвуковые волны.

16) Свойства воды сильно изменяются под влиянием давления и температуры. Так, при росте давления температура кипения воды повышается, а температура замерзания, наоборот, понижается. С повышением температуры уменьшаются поверхностное натяжение, плотность и вязкость воды и возрастают электропроводность и скорость звука в воде.

Аномальные свойства воды вместе взятые, свидетельствующие о чрезвычайно высокой ее устойчивости к воздействию внешних факторов, вызваны наличием дополнительных сил между молекулами, получивших название водородных связей. Суть водородной связи сводится к тому, что ион водорода, связанный с каким-то ионом другого элемента, способен электростатически притягивать к себе ион того же элемента из другой молекулы. Молекула воды имеет угловое строение: входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находится два протона, а в вершине – ядро атома кислорода (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Строение молекулы воды

Из имеющихся в молекуле 10 электронов (5 пар) одна пара (внутренние электроны) расположена вблизи ядра кислорода, а из остальных 4 пар электронов (внешних) по одной паре обобществлено между каждым из протонов и ядром кислорода, тогда как 2 пары остаются неопределенными и направлены к противоположным от протонов вершинам тетраэдра. Таким образом, в молекуле воды имеется 4 полюса зарядов, расположенных в вершинах тетраэдра: 2 отрицательных, созданных избытком электронной плотности в местах расположения неподеленных пар электронов, и 2 положительных, созданных ее недостатком в местах расположения протонов.

Вследствие этого молекула воды оказывается электрическим диполем. При этом положительный полюс одной молекулы воды притягивает отрицательный полюс другой молекулы воды. В результате получаются агрегаты (или ассоциации молекул) из двух, трех и более молекул (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Образование диполями воды ассоциированных молекул:

1 – моногидроль Н 2 О; 2 – дигидроль (Н 2 О) 2 ; 3 – тригидроль (Н 2 О) 3

Следовательно, в воде одновременно присутствуют одиночные, двойные и тройные молекулы. Содержание их меняется в зависимости от температуры. Во льду содержатся, в основном, тригидроли, объем которых больше моногидролей и дигидролей . При повышении температуры скорость движения молекул возрастает, силы притяжения между молекулами ослабевают, и в жидком состоянии вода – это смесь три-, ди- и моногидролей. С дальнейшим увеличением температуры тригидрольные и дигидрольные молекулы распадаются, при температуре 100 °С вода состоит из моногидролей (пар).

Существование неподеленных электронных пар определяет возможность образования двух водородных связей. Еще две связи возникают за счет двух водородных атомов. Вследствие этого каждая молекула воды в состоянии образовать четыре водородные связи (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Водородные связи в молекулах воды:

– обозначение водородной связи

Благодаря наличию в воде водородных связей в расположении ее молекул отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом, а в структуре возникают многочисленные пустоты, делающие ее очень рыхлой. К наименее плотным структурам принадлежит структура льда. В ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы Н 2 О. При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: возникают ассоциаты – зародыши кристаллических образований. В этом смысле вода находится как бы в промежуточном положении между кристаллическим и жидким состояниями и более сходна с твердым телом, чем с идеальной жидкостью. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одинокие молекулы воды, при этом упаковка молекул воды становятся более плотной. Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, ее плотность возрастает. При + 4 °С вода имеет самую плотную упаковку.

При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей. Этим объясняется высокая теплоемкость воды. Водородные связи между молекулами воды полностью разрушаются при переходе воды в пар.

Сложность структуры воды обусловлена не только свойствами ее молекулы, но и тем, что вследствие существования изотопов кислорода и водорода в воде имеются молекулы с различным молекулярным весом (от 18 до 22). Наиболее распространенной является «обычная» молекула с молекулярным весом 18. Содержание молекул с большим молекулярным весом невелико. Так, «тяжелая вода» (молекулярный вес 20) составляет менее 0,02% всех запасов воды. В атмосфере она не обнаружена, в тонне речной воды ее не более 150 г, морской –160-170 г. Однако, ее присутствие придает «обычной» воде большую плотность, влияет на другие ее свойства.

Удивительные свойства воды позволили возникнуть и развиться жизни на Земле. Благодаря им вода может играть незаменимую роль во всех процессах, совершающихся в географической оболочке.